導(dǎo)語(yǔ)：隨著全球新材料產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，全球新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將保持正增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2026年有望突破6萬(wàn)億美元，且高端材料技術(shù)壁壘日趨呈現(xiàn)，以美、日、歐為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)憑借技術(shù)研發(fā)、資金、人才等優(yōu)勢(shì)，以技術(shù)、專利等作為壁壘，已逐步在大多數(shù)高技術(shù)含量、高附加值的新材料產(chǎn)品中占據(jù)了主導(dǎo)地位、形成壟斷態(tài)勢(shì)，我國(guó)在關(guān)鍵核心技術(shù)等諸多方面仍受制于人。

2021年，工信部將碳基材料納入“十四五”原材料工業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，并將碳化硅復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，以全面突破關(guān)鍵核心技術(shù)，攻克“卡脖子”品種，提高碳基新材料產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化。

碳基復(fù)合材料設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)專門的技術(shù)。國(guó)際上認(rèn)為培養(yǎng)一個(gè)成熟的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師至少需要10年，國(guó)內(nèi)嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)計(jì)人員，大部分人不了解材料強(qiáng)度、剛度計(jì)算的工程方法，國(guó)際上通行的分析和驗(yàn)證用的“積木式”（BBA-Building Block Approach）方法，很少有人具體掌握復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、修理設(shè)計(jì)等許多具體設(shè)計(jì)技術(shù)和要領(lǐng)。

碳基材料分類

碳基材料是指以碳為基體的材料，主要包括高性能碳基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、石墨及石墨烯材料。碳基材料具有比重小、強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、核能、光伏、風(fēng)電、電子信息、冶金機(jī)械、軌道交通裝備、工程機(jī)械等領(lǐng)域，是超高聲速飛行器、運(yùn)載火箭、新一代戰(zhàn)機(jī)、核反應(yīng)堆等重點(diǎn)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵材料。

碳基復(fù)合材料的上游分為基體、增強(qiáng)體和其他材料，其中基體包括石墨碳和碳纖維，增強(qiáng)體則有碳化硅；中游包括碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品、碳/陶復(fù)合材料產(chǎn)品；下游應(yīng)用在半導(dǎo)體、航天航空、汽車行業(yè)、光伏發(fā)電以及化工行業(yè)等。

按照維度劃分，碳基材料可分為零維、一維、二維和三維材料。其中，零維材料有碳量子點(diǎn)、富勒烯等；一維材料有碳纖維、碳納米管、碳納米線等；二維材料有石墨烯等；三維材料也稱體材料，包含各類立體的本征或復(fù)合體系。

碳基復(fù)合材料面臨“卡脖子”

目前我國(guó)亟待攻克的“卡脖子”品種有三大類：一是碳纖維及其制品，如高性能聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、碳纖維預(yù)浸料、復(fù)合材料和碳紙等；二是特種石墨，如機(jī)械密封用石墨、抗燒蝕石墨、核石墨和高導(dǎo)熱泡沫石墨等；三是功能碳材料，如中間相碳微球、電容炭、硬碳、石墨烯導(dǎo)熱膜和導(dǎo)電炭黑等。

中國(guó)科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任陳成猛表示，我國(guó)碳基材料行業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在一定差距。在基礎(chǔ)炭材料領(lǐng)域，高精尖品種大量依賴進(jìn)口，仍面臨“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，亟須提高自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)科技攻關(guān)。在前沿炭材料領(lǐng)域，我國(guó)處于與國(guó)際并行乃至領(lǐng)跑狀態(tài)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)正加速崛起，“如何在低成本大規(guī)模制備的基礎(chǔ)上，開拓應(yīng)用場(chǎng)景，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于搶占新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)具有重要戰(zhàn)略意義”。

碳纖維復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的國(guó)際化差距

碳基新材料高端產(chǎn)品仍處于產(chǎn)業(yè)化初始階段，高強(qiáng)高模碳纖維、聚酰胺66等產(chǎn)品仍面臨國(guó)際貿(mào)易和技術(shù)壁壘。此外，關(guān)鍵制造裝備也處于以引進(jìn)為主、研制和仿制為輔的狀態(tài)，高端分析測(cè)試設(shè)備更是基本依賴進(jìn)口，具有工匠精神的專業(yè)工程技術(shù)人才出現(xiàn)斷層。

碳纖維樹脂基復(fù)合材料制造工藝裝備落后，自動(dòng)化程度低，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套工藝與裝備研發(fā)能力不足。國(guó)內(nèi)碳纖維樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用以跟蹤替代為主，自主設(shè)計(jì)應(yīng)用能力較弱，自動(dòng)化成型工藝的應(yīng)用比例不足20%。復(fù)合材料設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)落后使復(fù)合材料性能離散大、減重效率和成品率低、成本高，已經(jīng)成為制約復(fù)合材料應(yīng)用的突出問(wèn)題。

近幾年，我國(guó)在碳纖維原絲的生產(chǎn)方面取得了較大的進(jìn)步，但是與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平之間的差距還是很明顯的。例如，美日的碳纖維龍頭企業(yè)所采用的干噴濕紡工藝，在國(guó)內(nèi)尚未真正普及，僅中復(fù)神鷹在干噴濕紡工藝上取得了千噸級(jí)的突破。美日的原絲生產(chǎn)已經(jīng)能達(dá)到T1100高強(qiáng)度碳纖維和M60J高模量這種水平，而國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)的產(chǎn)品還集中在T300、T400這類中低端產(chǎn)品上，能夠批量化生產(chǎn)達(dá)到T700水平的比例并不多。

國(guó)內(nèi)碳纖維樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國(guó)家也存在明顯的差距。國(guó)外研制的B787、A350等大型客機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到了50%以上。國(guó)內(nèi)研制的ARJ21支線客機(jī)復(fù)合材料用量不足2%，正在研制的C919復(fù)合材料用量?jī)H達(dá)10%左右，且大部分構(gòu)件主要直接從國(guó)外進(jìn)口預(yù)浸料制造生產(chǎn)，樹脂基復(fù)合材料在大型客機(jī)等民用航空領(lǐng)域難以形成規(guī)模。

碳基復(fù)合材料研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最為薄弱，已嚴(yán)重制約我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展。國(guó)際上認(rèn)為培養(yǎng)一個(gè)成熟的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師至少需要10年，國(guó)內(nèi)嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，這直接普遍影響到復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展。例如國(guó)內(nèi)很少有人真正掌握鋪層設(shè)計(jì)的原則和方法，不了解材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的來(lái)源及用法，不知道復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度計(jì)算的工程方法，不了解國(guó)際上通行的分析和驗(yàn)證用的“積木式”（BBA-Building Block Approach）方法，沒(méi)有具體掌握復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、修理設(shè)計(jì)等許多具體設(shè)計(jì)技術(shù)和要領(lǐng)。

設(shè)計(jì)方面還存在規(guī)范手冊(cè)和軟件開發(fā)等問(wèn)題。國(guó)外十分重視有組織的制訂相應(yīng)規(guī)范，例如各大飛機(jī)公司均有自己的《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)》，至于專門用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件的Sizer等軟件的開發(fā)和應(yīng)用等。在應(yīng)用領(lǐng)域，如風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)，國(guó)外已大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料，成為碳纖維應(yīng)用大戶，但國(guó)內(nèi)進(jìn)展緩慢，一個(gè)重要原因是我國(guó)葉片多是進(jìn)口，沒(méi)有原始設(shè)計(jì)產(chǎn)權(quán)，自主設(shè)計(jì)時(shí)也沒(méi)有引進(jìn)商提供的載荷數(shù)據(jù)作為參考。

碳基復(fù)合材料成本較高，是制約其擴(kuò)大應(yīng)用發(fā)展的主要障礙之一。西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制訂低成本的復(fù)合材料發(fā)展計(jì)劃，發(fā)展低成本的復(fù)合材料綜合技術(shù)，如美國(guó)由國(guó)防部出面聯(lián)合工業(yè)界于1996年發(fā)起并執(zhí)行一個(gè)10年的低成本復(fù)合材料計(jì)劃，即CAI(Composite Afforability Initiative)計(jì)劃，并已用在F-35和B787等機(jī)型的工程應(yīng)用中，宣稱要降低總成本的50%。歐洲則繼TANGO計(jì)劃后又有ASK計(jì)劃等，目的要減輕結(jié)構(gòu)重量的30%，節(jié)省成本的30%，由多國(guó)多部門聯(lián)合執(zhí)行。

碳纖維中低端產(chǎn)品成本居高不下，缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)產(chǎn)碳纖維高端產(chǎn)品缺乏，T300/T700級(jí)碳纖維滿足國(guó)防應(yīng)用需求，T800、M40、M40J和M55J已突破工程化制備技術(shù)，更高性能的T1100G碳纖維、TORAYCAM40X碳纖維還處于跟蹤研發(fā)階段；宇航級(jí)T300、T700級(jí)國(guó)產(chǎn)碳纖維價(jià)格國(guó)外在1000元人民幣/kg以內(nèi)，國(guó)內(nèi)在3000-4000元人民幣/kg，缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，因此真正具有競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)健康發(fā)展的碳纖維龍頭產(chǎn)業(yè)尚未形成。

最后，創(chuàng)新是技術(shù)發(fā)展的靈魂，事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，但在碳基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域原創(chuàng)創(chuàng)新能力不足。要能不斷開發(fā)出新的有競(jìng)爭(zhēng)力的適銷對(duì)路的產(chǎn)品投放市場(chǎng)獲取效益，以碳纖維復(fù)合材料自行車為例，2020年，全球碳纖維自行車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到183百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2026年可以達(dá)到229百萬(wàn)美元，從車架、車把、車叉、座管到曲柄最后到車圈中國(guó)臺(tái)灣用27年完成復(fù)合材料化的進(jìn)程，技術(shù)含量很高，市場(chǎng)占有率全球領(lǐng)先。

高性能石墨材料技術(shù)被國(guó)外嚴(yán)格封鎖

在全球市場(chǎng)中，碳基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日本、西歐、美國(guó)等地區(qū)，代表性企業(yè)主要有日本東洋碳素、日本東海、日本東麗、日本碳素、日本吳羽化學(xué)、德國(guó)西格里、德國(guó)崇德、法國(guó)美爾森、美國(guó)尤卡、美國(guó)赫氏復(fù)材、美國(guó)GrafTech等。這些企業(yè)技術(shù)水平先進(jìn)，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類較多、質(zhì)量較高，在全球市場(chǎng)中處于領(lǐng)先地位。

一直以來(lái)，歐美日等國(guó)家在高性能石墨材料技術(shù)方面對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格封鎖，出口到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品種類與數(shù)量也進(jìn)行嚴(yán)格控制，導(dǎo)致我國(guó)高性能石墨材料價(jià)格高昂且供應(yīng)量少，無(wú)法滿足高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。發(fā)展碳基復(fù)合材料行業(yè)是緩解我國(guó)高性能石墨材料供應(yīng)不足的重要手段之一，在國(guó)家政策與資本的推動(dòng)下，我國(guó)碳基復(fù)合材料行業(yè)不斷發(fā)展壯大。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2020-2024年碳/碳復(fù)合材料行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，現(xiàn)階段，我國(guó)代表性企業(yè)主要有南方搏云新材、煙臺(tái)魯航、甘肅郝氏、西安超碼、湖南博云新材、吉林聯(lián)科、北京金鑫等。相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量不斷增長(zhǎng)，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類不斷增多，在一定程度上緩解了我國(guó)高性能石墨材料供應(yīng)不足的問(wèn)題，也使得相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格有所下降。

碳基芯片如何實(shí)現(xiàn)彎道超車

缺芯成為科技界的一大難題，之前的芯片絕大部分采用硅基材料的集成電路技術(shù)，最新的碳基半導(dǎo)體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢(shì)，碳基技術(shù)是各國(guó)一直研發(fā)替代硅基的新技術(shù)。與國(guó)外硅基技術(shù)制造出來(lái)的芯片相比，我國(guó)碳基技術(shù)制造出來(lái)的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)，不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。碳基技術(shù)在不久的將來(lái)可以應(yīng)用于國(guó)防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。已在高端汽車剎車系統(tǒng)取得了一定的應(yīng)用，未來(lái)有望成為新一代飛機(jī)、高鐵和汽車剎車材料。

目前我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)技術(shù)突破：第一，提純?cè)?。第二，將碳納米管有規(guī)則地平鋪在基板上。第三，使用碳納米管搭建pn結(jié)構(gòu)。第四，將dna完成的組裝體規(guī)則地搭建在基板上。雖然已經(jīng)能夠以很高的密度按規(guī)則鋪設(shè)碳納米管，但想要做成電路，還需光刻/電子束刻蝕來(lái)鋪設(shè)各種電極（源電極、漏電極、門電極）。硅基芯片發(fā)展幾十年，很多核心技術(shù)掌握在歐美等國(guó)家的手里，因此會(huì)受制于人。當(dāng)下的技術(shù)能力距離實(shí)現(xiàn)真正可以使用的碳基芯片還有一段距離要走，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)更是前路漫漫。

政策助推碳基復(fù)合材料發(fā)展2015年5月

2015年5月，國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國(guó)制造2025》的通知，提出大力推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展。以特種金屬功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材料、特種無(wú)機(jī)非金屬材料和先進(jìn)復(fù)合材料為發(fā)展重點(diǎn)，加快研發(fā)先進(jìn)熔煉、凝固成型、氣相沉積、型材加工、高效合成等新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和體系建設(shè)，突破產(chǎn)業(yè)化制備瓶頸。高度關(guān)注顛覆性新材料對(duì)傳統(tǒng)材料的影響，做好超導(dǎo)材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰(zhàn)略前沿材料提前布局和研制。加快基礎(chǔ)材料升級(jí)換代。

2021年12月

2021年12月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、自然資源部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出要突破關(guān)鍵材料，堅(jiān)持材料先行和需求牽引并重，實(shí)施關(guān)鍵短板材料攻關(guān)行動(dòng)，支持材料生產(chǎn)、應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合科研單位，開展寬禁帶半導(dǎo)體及顯示材料、集成電路關(guān)鍵材料、生物基材料、碳基材料、生物醫(yī)用材料等協(xié)同攻關(guān)。

2021年1月

2021年1月，《湖南省碳基材料產(chǎn)業(yè)鏈三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》發(fā)布，發(fā)展目標(biāo)到2023年，全省碳基材料產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值超過(guò)500億元，力爭(zhēng)過(guò)10億元企業(yè)10家，5億企業(yè)20家，過(guò)億元企業(yè)50家；形成3個(gè)過(guò)百億的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)；建成8個(gè)國(guó)家級(jí)以上的碳基材料技術(shù)或應(yīng)用創(chuàng)新平臺(tái)，技術(shù)創(chuàng)新能力、技術(shù)應(yīng)用能力和成果轉(zhuǎn)化能力顯著增強(qiáng)，攻克一批“卡脖子”技術(shù)，形成碳基材料技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化新高地。

2021年4月

2021年4月，山西省人民政府印發(fā)《山西省“十四五”新材料規(guī)劃的通知》，提出到2025年，全省新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模和質(zhì)量進(jìn)一步提高，建成國(guó)家重要的新材料產(chǎn)業(yè)基地。通過(guò)延鏈補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈，培育3—5個(gè)在全國(guó)具有比較優(yōu)勢(shì)的特色產(chǎn)業(yè)鏈條，初步形成高品質(zhì)特殊鋼、鎂鋁合金、釹鐵硼永磁材料、半導(dǎo)體晶體、高性能碳纖維等布局合理、特色鮮明、具有較強(qiáng)國(guó)內(nèi)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)集群，建設(shè)成為世界領(lǐng)先的先進(jìn)金屬材料基地、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的碳基新材料基地、全國(guó)一流的生物基新材料產(chǎn)業(yè)基地、國(guó)家重要的半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)基地、全國(guó)最大的差別化功能性纖維新材料生產(chǎn)基地。